Transcript 4) 건물골조방식의 설계 방법(UBC`97)

관철동 VE에
대한 세미나
주진욱
2003.4.25
HBSE
HANBIT STRUCTURAL ENG.
관철동 오피스텔 V/E
REPORT
목
차
1. 설계 개요
2. 시스템 개요 및 재료 강도
3. 구조 평면도
4. 구조 시스템 검토
4.1 횡력 비교
4.2 횡력 저항 시스템 분석
1) 동적 거동
2) 시스템 효율성 검토
3) LINK BEAM 의 거동
4) 건물 골조 방식 설계 방법(UBC’97)
4.3 기초
4.4 지하 외벽 및 버트레스
5. 결론
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1. 설계 개요
■ 건물 개요
■ 구조 형식
• 규모 – 지상15층, 지하 4층
• 용도 - 지하 4층 ~ 지상 4층
··· 철근 콘크리트 구조
: 주차장, 상업시설
지상 5층 ~ 지상 15층 : 오피스텔(복층형)
■ 설계 횡하중 조건
■ 적용 기준
• 하중기준 및 법규
– 건축물의 구조기준 등에 관한 규칙(1999)
건축물 하중기준 및 해석(2000, 건설교통부)
• 부재 설계
- 콘크리트 구조 설계 기준(1999, 건설교통부)
• 풍하중
- 서울, 기본 풍속 30m/sec,
노풍도 B , 중요도 계수(Iw) 1.0
• 지진하중 - 지역 계수(A) 0.11,
중요도 계수(I) 1.2
반응수정계수(R) 4.0
지반 계수(S) 1.0
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2. 시스템 개요 및 재료 강도
PHR
■ 부재 단면
☞ SHEAR WALL
• 지하 4층 ~ 지하 1층
15F
: THK. 200/300 mm
수직 및 수평 부재
• 지상 1층 ~ 지상 15층 : THK. 200 mm
fck=240kgf/cm2
■ 재료 강도
• 지하 4층 ~ 지상 6층 : fck = 270 kgf/cm2
• 지상 7층 ~ 지붕층
7F
: fck = 240 kgf/cm2
■ 구조 형식
• 중력 저항 시스템 :
지하층 : 2-WAY SLAB(WIDE BEAM)
1F
fck=270kgf/cm2
지상층 : 2-WAY SLAB
• 횡력 저항 시스템
- 건물 골조 방식
• 높이 : 70.2m (기준층 층고 3.8m)
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수직 및 수평 부재
B4F
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3. 구조 평면도
1
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지상6~15층 구조바닥평면도
SCALE= 1:100
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4. 구조 시스템 검토
4.1 횡력 비교 (지진하중/풍하중)
tonf
0
10
20
30
PHR
PHR
PH2
PH2
PH1
PH1
RF
RF
15F
15F
14F
14F
13F
13F
12F
12F
11F
11F
10F
10F
9F
9F
8F
8F
7F
7F
6F
6F
5F
4F
10
20
30
5F
지진-Y
바람-X
4F
바람-Y
3F
2F
2F
Y 방향 하중 비교
Vx,E = 286.4 tf
Vy,E = 286.4 tf
Vx,W = 227.9 tf
Vy,W = 327.7 tf
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tonf
50
40
지진-X
3F
X 방향 하중 비교
HBSE
0
50
40
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4.2 횡력 저항 시스템
1) 동적 거동
시스템
1차 주기
건물골조방식
이중골조방식
Modal Participation Mass(%)
X-Trans.
Y-Trans.
Z-Trans.
3.52
32.9
31.8
37.7
2.71
45.9
35.4
33.9
100%
0%
Frame
90%
10%
Core
80%
2) 시스템 효율성 비교
70%
건물골조방식
시스템
이중골조방식
60%
Core
Frame
Core
Frame
50%
X-Dir
100
0
86.9
13.1
40%
Y-Dir
100
0
89.5
10.5
30%
100%
90%
횡력 부담(%)
20%
☞ 건물 골조 방식 채택
10%
0%
건물골조방식
이중골조방식
<기둥-보 프레임의 횡력저항 기여도-Y-DIR. >
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3) LINK BEAM 의 효율성 비교(건물골조방식)
Y-BEAM
X-BEAM
인방보 강성
100%
50%
0%
1차 고유주기(sec)
3.52
3.74
4.32
3.24
3.38
4.11
3.24
4.81
(0.013)
X-Dir.
16
14
5φVc
12
층간변위(cm)
Y-Dir.
2.84
X-Dir.
6.53
6.90
8.18
Y-Dir.
6.50
6.99
8.86
(H/790)
STORY
10
8
6
횡변위(cm)
4
2
전단 파괴 여부(Vu/ΦVn)
N.G
(290%)
N.G
(197%)
O.K
(중력저항)
0
0
20
60
40
80
Vu
☞ LINK BEAM의 강성을 0%로 설계(중력 저항 요소)
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[LINK BEAM 전단력 분포-강성100%]
100
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4) 건물골조방식의 설계 방법(UBC’97)
• 정의 : 수직하중은 입체골조가 저항하고, 지진하중은 전단벽이나 가새골조가 저항하는
구조방식.
• 기둥-보 프레임의 횡력 부담에 따른 시스템 분류
- 0% (수직하중만 저항) : 건물 골조 방식
- 25% : 이중 골조 방식
- 강성만큼 부담 : 기타 구조 방식
• 프레임 설계
“It is important to ensure that compatibility requirements be addressed in the design of the
components so that the beam-column frames do not collapse under large lateral seismic
deflections(ΔM).”
* Load Combination : 1.4D + 1.7L
1.4D + 1.4L + E
0.9D + E
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4) 건물골조방식의 설계 방법(UBC’97) _ 계속
• 실무에서의 건물 골조 방식 설계 방법의 문제점
- (1.4D + 1.7L)만 고려한 설계.
횡력에 대해 소성힌지가 발생하여 모멘트의 재분배로 인한 FRAME의 붕괴는 발생하지 않을 것
이라는 가정하에 설계. 그러나, 기둥에 있어서는 문제가 될 수 있다.
또한, 풍하중에 대한 사용성 측면에서의 균열 제어가 고려가 되어 있지 않다.
전단벽을 횡력 저항 요소뿐만 아니라 수직 저항 요소로도 고려
• 소결 – 건물 골조 방식에 있어서 횡력시의 프레임의 횡변위는 무시할 수 없으므로, UBC에서 제시하는
적합 조건식을 고려해야 할 것이나, 이러한 경우, 프레임도 횡력을 저항하는 요소로 설계하는
개념과 유사하므로, 결과적으로 기타구조방식에 비해 과다하게 설계하는 경향이 된다.
또한, 전단벽이 없이도 중력 하중에 대해 저항할 수 있는 시스템이 되어야 하므로,
코아부에도 프레임이 배치가 되어야 하는 문제가 발생한다.
따라서, UBC 규준에 의한 건물골조방식의 설계 개념과, 실제 사용하고 있는 설계 방법과는
거리가 있으며, UBC 규준에 따라 설계를 할 경우 건물골조방식은 상당한 안전측의 설계가 될
수 있으며, 이러한 상황을 감안하면, 현실적으로 기타 구조 방식의 적용이 적절할 것으로 판단
된다.
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4.3 기초
4.3.1 지반의 수직 반력 계수(Kv) 검토
# 평판재하시험에 의한 지반반력 계수 산정(1997’ 구조물기초설계기준)
- 항복 하중의 ½일때의 변위Δ와 이때의 σ를 구하여 σ/ Δ로 산정
SDS의 지반 반력 계수(Kv) 산정식- Joseph E. Bowles 식
Kv = S.F x fe / 0.0254 (tf/m3) : 여기서, S.F =3.0(장기), 2.0(단기)
= fe x 120 (tf/m3)
극한 침하량을 1in.로 가정.
(fe * S.F) : 극한 하중 → 지반이 전단파괴가 일어날 때의 최대 하중
하중-침하도
하중
따라서, 암반인 경우 상기식에 의
한 Kv 값보다 상당히 큰 값이 예상
된다.
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침하량
** 상기 가정값은 지반의 토질이
암반인 경우 극한 침하량을 1in.로
보는 것은 실제 침하량보다 상당
히 크게 가정된 값이다.
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4.3.2 기초 설계법 비교
• 조건
지반의 허용 지내력 – 100tf/m2
기초 형식 – 매트 지내력 기초
지반의 수직 반력 계수(Kv) – Unkown (tf/m3)
☞ 기초 설계(C1) – 기초 두께 및 기둥 하부 휨응력 검토
1) 독립 기초 형식의 설계
• A) 기초판의 소요크기를 결정할 경우
• A) Kv = 12,000 tf/m3 ⇒ Kv=120 x fe (SDS 기본값)
기초판의 소요 크기 – 3400x4300x1300 mm
필요 기초 두께 : 1500mm
소요 지내력– 98tf/m2
Max. Reaction = 39.0 tf/m2
Mu =-153tf.m/m
Mu =-250tf.m/m (평균), Mu,max=-320tf.m/m
• B) 기초판의 크기를 경간 중심으로 볼 경우
HBSE
2) SDS를 이용한 MAT 설계
• B) Kv = 120,000 tf/m3
기초판의 소요 두께 – THK.1500 mm
필요 기초 두께 : 1300mm
소요 지내력– 28tf/m2
Max. Reaction = 102.0 tf/m2
Mu =-210tf.m/m
Mu =-170tf.m/m (평균), Mu,max=-250tf.m/m
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4.4 지하 외부 옹벽
및 버트레스
☞ 기존 설계
– 버트레스를 이용한
외벽의 2방향 거동 유도
RW1B : X/Y=9m/5.4m
1) 2-WAY
– Mux = +18 tf.m/m
-24tf.m/m
– Muy = +51tf.m/m
-102tf.m/m
2) 1-WAY
- Muy = +56tf.m/m
-110tf.m/m
1
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지하4층 구조바닥평면도
SCALE= 1:100
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☞ 기존 설계와 V/E의 물량 비교
MEMBER
기존 설계 (원)
REBAR
EXT.WALL
BUTTRESS
89,157,000
V/E (원)
72,235,000
공사비 차이(원)
비율
16,922,000
(벽체 두께 변경
없음)
CONC.
Sub
Total
89,157,000
REBAR
6,594,000
CONC.
4,064,000
Sub
Total
10,658,000
72,235,000
16,922,000
81.0%
6,594,000
(해당 BUTTRESS
삭제)
4,064,000
10,658,000
☞ 버트레스 설계 – 버트레스의 강성을 크게 사용하지 못할 경우 그 효율이 떨어져,
벽체의 거동은 1-WAY에 가까워진다.
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5. 결론
1. 건물 골조 방식의 설계
- UBC 규준에 적용하여 설계할 경우 현재의 설계 방법은 적절하지 않으며, 풍하중에 대한 고려도
수반되어야 할 것이다.
2. 기초 설계
- 기초 저면 토질이 암반인 경우 SDS 해석시 Kv값은 허용 지내력을 확보할 수 있는 값을 구한다.
- 독립 기초형식에 의해 매트 기초를 약산 할 경우에는 필요한 저면적을 산정후 그에 대한 검토.
3. 지하 외벽
- 지하 외벽의 설계시 1방향 또는 2방향 설계에 대해 시공성 및 물량에 대한 구조 엔지니어의 판단 필요.
- 토압에 대해 지하외벽의 상하 1방향 벽체로 설계가 불합리할 경우 버트레스는 충분히 강성을 발휘할
수 있도록 단면 및 간격을 확보.
4. Value Engineering
- 기존 설계에 대한 V/E 수행시 가장 중요한 사항은 시스템의 적정성 검토라 할 수 있다.
따라서, 중력 및 횡력 저항 시스템의 종류별 공사비 차이 등을 회사차원의 데이터로서 정리해 놓을
필요가 있으며, 횡력 저항 시스템에 대해서는 규준에 대한 적절한 판단이 필요할 것이다.
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